JP6202422B2 - Method for producing polymer electrolyte - Google Patents

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Description

本発明は、高分子電解質の製造方法、およびその製造方法により得られる高分子電解質に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a polymer electrolyte and a polymer electrolyte obtained by the method.

プロトン伝導性置換基を含有する高分子電解質は、燃料電池、湿度センサー、ガスセンサー、エレクトロクロミック表示素子などの電気化学素子の原料として使用される。これらの中でも、燃料電池は、新エネルギー技術の柱の一つとして期待されている。プロトン伝導性置換基を有する高分子電解質を使用する固体高分子形燃料電池は、低温における作動、小型軽量化が可能などの特徴から、自動車などの移動体、家庭用コンジェネレーションシステム、および民間用小型携帯機器などへの適用が検討されている。例えば、メタノールを直接燃料に使用する直接メタノール型燃料電池(DMFC)は、単純な構造、燃料供給やメンテナンスの容易さ、高エネルギー密度などの特徴を有し、リチウムイオン二次電池代替として、携帯電話やノート型パソコンなどの民間用小型携帯機器への応用が期待されている。また、固体高分子形燃料電池(PEFC)は電気自動車や家庭用電源として適している。 Polymer electrolytes containing proton conductive substituents are used as raw materials for electrochemical devices such as fuel cells, humidity sensors, gas sensors, and electrochromic display devices. Among these, fuel cells are expected as one of the pillars of new energy technology. Solid polymer fuel cells that use polymer electrolytes with proton-conducting substituents can be operated at low temperatures and can be reduced in size, weight, mobile vehicles such as automobiles, household cogeneration systems, and civilian use. Application to small portable devices is under consideration. For example, a direct methanol fuel cell (DMFC) that uses methanol directly as fuel has features such as a simple structure, ease of fuel supply and maintenance, and high energy density. Application to small portable devices for private use such as telephones and notebook computers is expected. A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is suitable as an electric vehicle or a household power source.

これらPEFCやDMFCは通常80℃以下の温度で運転されるが、高性能化のために、触媒活性、触媒被毒、廃熱利用の点から120℃以上かつ低加湿条件下で運転することが求められている。そのため、PEFCやDMFCに用いられる電解質は、高温でも膜強度を維持するもの、および低加湿条件下でも高いプロトン伝導度を発現するものが求められている。しかしながら、現在主流であるフッ素系電解質膜(パーフルオロアルキルスルホン酸高分子であるナフィオン、アシプレックス、フレミオン等の膜)は、100℃以上で膜強度が低下するなど耐熱性に課題がある。 These PEFCs and DMFCs are usually operated at a temperature of 80 ° C. or lower. However, in order to improve performance, the PEFC and DMFC can be operated at 120 ° C. or higher and in a low humidified condition from the viewpoint of catalytic activity, catalyst poisoning, and waste heat utilization. It has been demanded. Therefore, electrolytes used for PEFC and DMFC are required to maintain membrane strength even at high temperatures and to exhibit high proton conductivity even under low humidification conditions. However, fluorine-based electrolyte membranes that are currently mainstream (membranes such as Nafion, Aciplex, and Flemion, which are perfluoroalkyl sulfonic acid polymers) have problems in heat resistance, such as a decrease in membrane strength at 100 ° C. or higher.

このような問題を解決するため、芳香族化合物を用いた高分子電解質が数多く研究されており、例えば、スルホン酸エステルを有するモノマーと疎水部用オリゴマーを重合したポリアリーレン系の高分子電解質が知られている。しかし、これらの電解質は脱離基を有するモノマーあるいはオリゴマーと遷移金属を用いて調製されるため、重合後のポリマーに脱離基や金属由来の不純物、さらに反応に用いた金属錯体の配位子が残存する恐れがある。そのため、精製が不十分な高分子電解質を燃料電池内部に使用した場合、触媒や高分子電解質膜の劣化を引き起こす原因になることが知られている。例えば膜中に金属が残存した場合はラジカル発生源となる。また、系中で過酸化物の発生を引き起こし、これにより膜の劣化が進行することが知られている。金属錯体の配位子やハロゲンイオンが残存した場合、触媒の活性を低下させる触媒被毒が起こり、電圧が低下するなどの影響が見られる。例えば、カソード触媒層中にハロゲンアニオンが存在すると、電位によって触媒と化学的に結合するため触媒は活性を失う。金属錯体の配位子としては、触媒への強い相互作用を示すものとして、不飽和結合を有する化合物がある。 In order to solve such problems, many polymer electrolytes using aromatic compounds have been studied. For example, a polyarylene polymer electrolyte obtained by polymerizing a monomer having a sulfonate ester and an oligomer for a hydrophobic portion is known. It has been. However, since these electrolytes are prepared using a monomer or oligomer having a leaving group and a transition metal, the polymer after polymerization contains a leaving group, a metal-derived impurity, and a ligand of the metal complex used in the reaction. May remain. Therefore, it is known that when a polymer electrolyte that is not sufficiently purified is used inside a fuel cell, it may cause deterioration of a catalyst or a polymer electrolyte membrane. For example, when metal remains in the film, it becomes a radical generation source. In addition, it is known that peroxides are generated in the system, which causes deterioration of the film. When the ligand or halogen ion of the metal complex remains, there is an influence such as catalyst poisoning that lowers the activity of the catalyst and a voltage drop. For example, when a halogen anion is present in the cathode catalyst layer, the catalyst loses its activity because it is chemically bonded to the catalyst by electric potential. As a ligand of a metal complex, there is a compound having an unsaturated bond as a strong interaction with a catalyst.

そこで、例えば、特許文献1には、重合後のポリマー溶液を、スルホン酸基を有するポリアリーレンの貧溶媒中に投入し、スルホン酸基を有するポリアリーレンを析出させて回収し、各金属不純物を100ppm以下に除去する方法が記載されている。この方法では、一旦析出させたスルホン酸基を有するポリアリーレンを再度溶解、析出させる必要があるなど操作が煩雑であり、水系溶媒のみで洗浄している。また、特許文献2には、金属不純物を含有する高分子電解質を、硫酸を含む溶媒に溶解させ、不純物含量が低下した電解質を取り出す精製方法が記載されている。しかし、スルホン化されやすい芳香環は硫酸と反応する可能性が高く、使用できる高分子電解質が限定されるのみならず、この方法も水系の洗浄操作のみである。また、例えば、特許文献3には、ソックスレー抽出器を用いた洗浄操作によって、炭化水素系電解質中のハロゲン元素の含有量を1×10−6mol/g以下にする例が記載されている。 Therefore, for example, in Patent Document 1, the polymer solution after polymerization is put into a poor solvent for polyarylene having a sulfonic acid group, and the polyarylene having a sulfonic acid group is precipitated and recovered, and each metal impurity is collected. The method of removing to 100 ppm or less is described. In this method, the polyarylene having a sulfonic acid group once precipitated needs to be dissolved and precipitated again, and the operation is complicated, and the washing is performed only with an aqueous solvent. Patent Document 2 describes a purification method in which a polymer electrolyte containing metal impurities is dissolved in a solvent containing sulfuric acid, and an electrolyte having a reduced impurity content is taken out. However, an aromatic ring that is easily sulfonated has a high possibility of reacting with sulfuric acid, so that not only the polyelectrolyte that can be used is limited, but also this method is only an aqueous washing operation. For example, Patent Document 3 describes an example in which the content of a halogen element in a hydrocarbon-based electrolyte is reduced to 1 × 10 −6 mol / g or less by a cleaning operation using a Soxhlet extractor.

このように、従来の精製方法は金属不純物やハロゲン不純物に関する精製法に限られており、それ以外の触媒や電極の劣化要因となる分子の除去に関しては検討されていない。また、不飽和結合を有する化合物は、金属やハロゲン元素と溶解度が異なるため、従来の精製方法では十分に除去できない可能性があった。 As described above, the conventional purification method is limited to the purification method for metal impurities and halogen impurities, and other methods for removing molecules that cause deterioration of the catalyst and electrode are not studied. In addition, a compound having an unsaturated bond has a solubility different from that of a metal or a halogen element, and thus may not be sufficiently removed by a conventional purification method.

例えば、高分子電解質を調製する際にビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)などの遷移金属錯体を使用した場合、従来の精製方法ではハロゲン元素や金属不純物の除去が不十分である事に加え、配位性の有機分子が残存する場合があった。本発明者らがこれらの不純物が残存した場合における燃料電池発電時の電圧低下の現象を分析したところ、反応に使用した不純物に加え、高分子電解質中で配位子として使用していた有機分子が変性して数平均分子量1万以下のオリゴマーが生じ、これらが燃料電池用触媒の触媒毒となって発電時の電圧が低下することがわかった。 For example, when a transition metal complex such as bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0) is used in preparing a polymer electrolyte, the conventional purification method does not sufficiently remove halogen elements and metal impurities. In addition, there are cases where coordinating organic molecules remain. When the present inventors analyzed the phenomenon of voltage drop during fuel cell power generation when these impurities remain, in addition to the impurities used in the reaction, organic molecules used as ligands in the polymer electrolyte Was modified to produce oligomers having a number average molecular weight of 10,000 or less, which became catalyst poisons for the fuel cell catalyst and lowered the voltage during power generation.

特開2005−239833号公報JP 2005-239833 A 特開2009−187933号公報JP 2009-187933 A 特開2009−43457号公報JP 2009-43457 A

本発明は、高分子電解質に含まれる、数平均分子量が1万以下のオリゴマーを含む化合物の含有量を低減させる、高分子電解質の精製方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for purifying a polymer electrolyte, which reduces the content of a compound containing an oligomer having a number average molecular weight of 10,000 or less, contained in the polymer electrolyte.

本発明者らは、更なる鋭意検討を重ねたところ、高分子電解質をすくなくとも2種の高分子電解質の貧溶媒で洗浄することにより、高分子電解質に含まれていた、燃料電池用の触媒と相互作用する、数平均分子量1万以下のオリゴマーを低減させるだけでなく、その他不純物をも効率的に除去でき、電圧低下を抑制した高分子電解質を得ることに成功し、本発明を完成するに至った。 As a result of further intensive studies, the inventors of the present invention have found that the catalyst for a fuel cell contained in the polymer electrolyte is washed with at least two types of polymer electrolyte poor solvents. In addition to reducing oligomers with a number average molecular weight of 10,000 or less that interact with each other, other impurities can also be efficiently removed, and a polymer electrolyte that suppresses voltage drop has been successfully obtained, thereby completing the present invention. It came.

すなわち、本発明は、数平均分子量1万以下のオリゴマーを含む高分子電解質を、少なくとも2種の高分子電解質の貧溶媒を用いて洗浄する工程を含む、高分子電解質の製造方法に関する。 That is, this invention relates to the manufacturing method of a polymer electrolyte including the process of wash | cleaning the polymer electrolyte containing an oligomer with a number average molecular weight 10,000 or less using the poor solvent of at least 2 types of polymer electrolyte.

前記高分子電解質の貧溶媒として、プロトン性溶媒および非プロトン性溶媒を使用することが好ましい。 As the poor solvent for the polymer electrolyte, it is preferable to use a protic solvent and an aprotic solvent.

前記プロトン性溶媒がアルコール系溶媒であることが好ましい。 The protic solvent is preferably an alcohol solvent.

前記非プロトン性溶媒がハロゲン系溶媒であることが好ましい。 The aprotic solvent is preferably a halogen solvent.

前記数平均分子量1万以下のオリゴマーが、ハロゲン元素により置換された炭化水素化合物および/または不飽和結合を含む炭化水素化合物であることが好ましい。 The oligomer having a number average molecular weight of 10,000 or less is preferably a hydrocarbon compound substituted with a halogen element and / or a hydrocarbon compound containing an unsaturated bond.

前記高分子電解質が、少なくとも下記式(1)

Figure 0006202422
(式中、Arはベンゼン環、ナフタレン環、またはそれらの環を形成する炭素がヘテロ原子へと置換されたものを示し、Xは水素または陽イオンを示す。aおよびbは、それぞれ0〜4の整数である。また、a+bは1以上である。mは1以上の整数を示し、nは0以上の整数を示す。)
で示される構造を有することが好ましい。 The polymer electrolyte is at least the following formula (1)
Figure 0006202422
(In the formula, Ar represents a benzene ring, a naphthalene ring, or a carbon in which those rings are substituted with a hetero atom, X represents hydrogen or a cation. In addition, a + b is 1 or more, m is an integer of 1 or more, and n is an integer of 0 or more.)
It is preferable to have the structure shown by these.

前記高分子電解質が、下記式(2)

Figure 0006202422
(式中、Arはベンゼン環、ナフタレン環、またはそれらの環を形成する炭素がヘテロ原子へと置換されたものを示す。mは1以上の整数を示し、nは0以上の整数を示す。YはSO、C(CH、またはC(CFであり、Zは直接結合、酸素、または硫黄を示す。)および/または下記式(3) The polymer electrolyte is represented by the following formula (2)
Figure 0006202422
(In the formula, Ar represents a benzene ring, a naphthalene ring, or a carbon in which those rings are substituted with a hetero atom. M represents an integer of 1 or more, and n represents an integer of 0 or more. Y 1 is SO 2 , C (CH 3 ) 2 , or C (CF 3 ) 2 , Z represents a direct bond, oxygen, or sulfur.) And / or the following formula (3)

Figure 0006202422
(式中、Ar、m、nは前記式(2)と同様である。YはCO、SO、C(CH、またはC(CFであり、Yとは異なる。Zは直接結合、酸素、または硫黄を示す。)
で示される構造を有し、式(2)で示される構造成分Aモルに対し、式(3)で示される構造成分Bモルが、B/(A+B)が0〜0.95を満たすことが好ましい。
Figure 0006202422
(In the formula, Ar, m, and n are the same as those in the formula (2). Y 2 is CO, SO 2 , C (CH 3 ) 2 , or C (CF 3 ) 2 , and is different from Y 1. Z represents a direct bond, oxygen or sulfur.)
The structural component B represented by the formula (3) has a structure represented by the formula (2), and the B / (A + B) satisfies 0 to 0.95 with respect to the structural component A represented by the formula (2). preferable.

本発明はまた、本発明の製造方法で得られる高分子電解質に関する。 The present invention also relates to a polymer electrolyte obtained by the production method of the present invention.

本発明の高分子電解質の製造方法によれば、燃料電池の発電時における電圧低下が抑制された高分子電解質を得ることができる。 According to the method for producing a polymer electrolyte of the present invention, it is possible to obtain a polymer electrolyte in which the voltage drop during power generation of the fuel cell is suppressed.

実施例1に係る発電試験の電圧維持率を示した図である。It is the figure which showed the voltage maintenance factor of the electric power generation test which concerns on Example 1. FIG.

本発明の一実施形態について説明すれば以下の通りである。なお、本発明は以下の説明に限定されるものではないことを念のため付言しておく。 An embodiment of the present invention will be described as follows. It should be noted that the present invention is not limited to the following description.

(1.高分子電解質の製造方法)
本発明の製造方法は、数平均分子量1万以下のオリゴマーを含む高分子電解質を、少なくとも2種の高分子電解質の貧溶媒を用いて洗浄する工程を含む。
(1. Production method of polymer electrolyte)
The production method of the present invention includes a step of washing a polymer electrolyte containing an oligomer having a number average molecular weight of 10,000 or less using a poor solvent for at least two kinds of polymer electrolytes.

ここで使用する貧溶媒は、ポリマーの貧溶媒であって、その他重合に使用したモノマーやオリゴマー、金属化合物含有物を溶解する溶媒であればよく、プロトン性溶媒および非プロトン性溶媒が挙げられる。プロトン性溶媒としては、アルコール系溶媒などが挙げられる。非プロトン性溶媒としては、炭化水素系溶媒、ハロゲン系溶媒、エーテル系溶媒などが挙げられる。炭化水素系溶媒としては、ベンゼン、トルエン、n−ヘキサン、メチルシクロヘキサン等が挙げられる。アルコール系溶媒としては、メタノール、エタノールイソプロピルアルコール、ブタノール等が挙げられる。ハロゲン系溶媒としては、ジクロロメタン、クロロホルム、1,1,1−トリクロロエタン等が挙げられる。エーテル系溶媒としては、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、メチルtert−ブチルエーテル、ジメトキシエタン、エチレングリコールジメチルエーテル等が挙げられる。これらの溶媒は単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。中でも、プロトン性溶媒としてメタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等のアルコール系溶媒が、また、非プロトン性溶媒としてジクロロメタン、クロロホルム等のハロゲン系溶媒から選択されることが、不純物の溶解度の高さから好ましい。特に、2種の貧溶媒として、第一の貧溶媒及び第二の貧溶媒のいずれか一方がプロトン性溶媒であり、もう一方が非プロトン性溶媒であることが精製効果から特に好ましい。 The poor solvent used here is a poor solvent for the polymer, and may be any solvent that dissolves the monomer or oligomer used in the polymerization or the metal compound-containing material, and examples thereof include a protic solvent and an aprotic solvent. Examples of the protic solvent include alcohol solvents. Examples of the aprotic solvent include hydrocarbon solvents, halogen solvents, ether solvents and the like. Examples of the hydrocarbon solvent include benzene, toluene, n-hexane, methylcyclohexane and the like. Examples of alcohol solvents include methanol, ethanol isopropyl alcohol, butanol and the like. Examples of the halogen solvent include dichloromethane, chloroform, 1,1,1-trichloroethane and the like. Examples of the ether solvent include diethyl ether, tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, methyl tert-butyl ether, dimethoxyethane, ethylene glycol dimethyl ether and the like. These solvents may be used alone or in combination of two or more. Among them, alcohol solvents such as methanol, ethanol and isopropyl alcohol are preferably selected as the protic solvent, and halogen solvents such as dichloromethane and chloroform are preferably used as the aprotic solvent in view of high impurity solubility. In particular, as the two poor solvents, one of the first poor solvent and the second poor solvent is a protic solvent, and the other is preferably an aprotic solvent in view of the purification effect.

また、洗浄の際、第一の貧溶媒と第二の貧溶媒を混合した溶媒を洗浄に用いても、別々に洗浄に用いても良い。洗浄効率に優れる点から貧溶媒毎、つまり、別々に洗浄することが好ましい。 In washing, a solvent in which the first poor solvent and the second poor solvent are mixed may be used for washing or separately. It is preferable to wash each poor solvent, that is, separately from the point of excellent washing efficiency.

第一の貧溶媒の量は適宜設定すればよく、具体的にはポリマーの仕込み量1重量部に対して0.1重量部以上が好ましく、1重量部以上がより好ましい。また、1000重量部以下が好ましく、500重量部以下がより好ましく、100重量部以下がさらに好ましい。0.1重量部よりも少ないと、電解質と溶媒が十分接触しない可能性があり、1000重量部より多くても洗浄効果の向上は僅かである。 What is necessary is just to set the quantity of a 1st poor solvent suitably, specifically 0.1 weight part or more is preferable with respect to 1 weight part of preparation amounts of a polymer, and 1 weight part or more is more preferable. Moreover, 1000 weight part or less is preferable, 500 weight part or less is more preferable, and 100 weight part or less is further more preferable. If the amount is less than 0.1 part by weight, there is a possibility that the electrolyte and the solvent do not sufficiently contact each other, and if the amount is more than 1000 parts by weight, the improvement in the cleaning effect is slight.

第二の貧溶媒の量は適宜設定すればよく、具体的にはポリマーの仕込み量1重量部に対して0.1重量部以上が好ましく、1重量部以上がより好ましい。また、1000重量部以下が好ましく、500重量部以下がより好ましく、100重量部以下がさらに好ましい。0.1重量部よりも少ないと、電解質と溶媒が十分接触しない可能性があり、1000重量部より多くても洗浄効果の向上は僅かである。 What is necessary is just to set the quantity of a 2nd poor solvent suitably, and specifically 0.1 weight part or more is preferable with respect to 1 weight part of preparation amounts of a polymer, and 1 weight part or more is more preferable. Moreover, 1000 weight part or less is preferable, 500 weight part or less is more preferable, and 100 weight part or less is further more preferable. If the amount is less than 0.1 part by weight, there is a possibility that the electrolyte and the solvent do not sufficiently contact each other, and if the amount is more than 1000 parts by weight, the improvement in the cleaning effect is slight.

高分子電解質の洗浄条件としては、高分子電解質中の不純物濃度を効率的に下げられるものであればよく、具体的には、好ましくは0℃〜150℃、より好ましくは30℃〜100℃で、また、好ましくは洗浄溶媒当り10分〜10時間、より好ましくは30分〜2時間撹拌する。0℃より低いと十分な洗浄効果が得られない場合があり、また、150℃より高いと副反応が起きる場合がある。また、10分より短いと十分な洗浄効率が得られない場合があり、10時間より長くても洗浄効果が薄い。 The washing conditions for the polymer electrolyte are not particularly limited as long as the impurity concentration in the polymer electrolyte can be efficiently lowered. Specifically, it is preferably 0 ° C. to 150 ° C., more preferably 30 ° C. to 100 ° C. In addition, it is preferably stirred for 10 minutes to 10 hours, more preferably 30 minutes to 2 hours per washing solvent. When the temperature is lower than 0 ° C, a sufficient cleaning effect may not be obtained. When the temperature is higher than 150 ° C, a side reaction may occur. Further, if it is shorter than 10 minutes, sufficient cleaning efficiency may not be obtained, and even if it is longer than 10 hours, the cleaning effect is weak.

高分子電解質の形状は、洗浄効果が高い表面積の大きなものであればよく、繊維状あるいは粉末状でもよい。好ましくは、より表面積の大きな粉末状である。 The polymer electrolyte may be in any shape as long as it has a high cleaning effect and a large surface area, and may be in the form of a fiber or powder. Preferably, it is a powder with a larger surface area.

洗浄前の高分子電解質は、燃料電池の触媒や電極への劣化作用を示す不純物として、分子量1万以下の化合物を含有している。このような化合物としては、例えば、重合に使用している遷移金属錯体由来の配位子や中心金属、重合後の工程で該配位子が反応しオリゴマー化した分子や、製造工程において使用した酸が配位子と反応した付加体などが挙げられる。その他、高分子電解質の原料化合物や、重合時に該化合物より生成するオリゴマー等の高分子量体に含まれなかったオリゴマー成分も挙げられる。また、親水性のオリゴマーについても燃料電池として使用している最中に流出する恐れがあり、触媒や電極への硫酸イオンの影響が懸念されることから予め除去しておくことが好ましい。また、よく知られているように、金属元素としては反応に使用した中心金属以外にも製造工程や原料からの混入が考えられ、例えば鉄、ニッケル、クロム、亜鉛、銅などが挙げられる。ハロゲン元素としては、モノマーやオリゴマーから重合時に脱離基として脱離したものや、酸洗浄工程で使用した塩酸の残渣としての塩素イオン、製造工程で混入した臭素イオンなどが挙げられる。 The polymer electrolyte before washing contains a compound having a molecular weight of 10,000 or less as an impurity exhibiting a deterioration effect on the catalyst and electrode of the fuel cell. Examples of such compounds include ligands and central metals derived from transition metal complexes used in the polymerization, molecules formed by the reaction of the ligand in the post-polymerization process, and oligomers used in the manufacturing process. Examples include adducts in which an acid reacts with a ligand. In addition, oligomer components that are not contained in a high molecular weight material such as a raw material compound of a polymer electrolyte or an oligomer generated from the compound at the time of polymerization are also included. Also, hydrophilic oligomers may flow out during use as a fuel cell, and it is preferable to remove them beforehand because there is a concern about the influence of sulfate ions on the catalyst and electrodes. As is well known, the metal element may be mixed from the manufacturing process and raw materials in addition to the central metal used in the reaction, and examples thereof include iron, nickel, chromium, zinc, and copper. Examples of the halogen element include those released from a monomer or oligomer as a leaving group during polymerization, chlorine ions as the residue of hydrochloric acid used in the acid washing step, bromine ions mixed in the manufacturing step, and the like.

上記の不純物には、数平均分子量1万以下のオリゴマーが含まれる。該オリゴマーとしては、金属錯体の配位子(例えば不飽和結合を有する化合物)が自己縮合して生成したオリゴマーやそのハロゲン化物、高分子電解質の原料オリゴマー、重合時に該原料オリゴマーより生成するオリゴマー等が挙げられる。
特に、不飽和結合を含む炭化水素化合物(例えば金属錯体の配位子である1,5−シクロオクタジエンから生成するオリゴマー)、該炭化水素化合物がハロゲン元素により置換されたもの等は、除去しておくことが好ましい。
The impurities include oligomers having a number average molecular weight of 10,000 or less. Examples of the oligomer include an oligomer formed by self-condensation of a metal complex ligand (for example, a compound having an unsaturated bond), a halide thereof, a raw material oligomer of a polymer electrolyte, an oligomer generated from the raw material oligomer during polymerization, and the like. Is mentioned.
In particular, hydrocarbon compounds containing unsaturated bonds (for example, oligomers formed from 1,5-cyclooctadiene, which is a ligand of metal complexes), and those in which the hydrocarbon compounds are substituted with halogen elements are removed. It is preferable to keep it.

(2.高分子電解質)
本発明で使用する高分子電解質としては、下記式(1):

Figure 0006202422
(式中、Arはベンゼン環、ナフタレン環、またはそれらの環を形成する炭素がヘテロ原子へと置換されたものを示し、Xは水素または陽イオンを示す。aおよびbは、それぞれ0〜4の整数である。また、a+bは1以上である。mは1以上の整数を示し、nは0以上の整数を示す。) (2. Polymer electrolyte)
As the polymer electrolyte used in the present invention, the following formula (1):
Figure 0006202422
(In the formula, Ar represents a benzene ring, a naphthalene ring, or a carbon in which those rings are substituted with a hetero atom, X represents hydrogen or a cation. In addition, a + b is 1 or more, m is an integer of 1 or more, and n is an integer of 0 or more.)

で示される構造を主鎖に有することが好ましい。ここで陽イオンとしては、リチウム、ナトリウム、カリウムなどの第1族の金属イオンや、マグネシウム、カルシウムなどの第2族の金属イオン、アルミニウムなどの第13族金属イオン、第3〜第12族の遷移金属の金属イオンが挙げられる。また、n/(m+n)は、0〜0.95であることが好ましく、0.30〜0.90であることがより好ましい。 It is preferable to have a structure represented by Here, as a cation, a Group 1 metal ion such as lithium, sodium or potassium, a Group 2 metal ion such as magnesium or calcium, a Group 13 metal ion such as aluminum, or a Group 3 to 12 group ion. Examples thereof include metal ions of transition metals. Further, n / (m + n) is preferably 0 to 0.95, and more preferably 0.30 to 0.90.

本発明で使用する高分子電解質において、式(1)で示される構造の総含有量は、全体の20重量%以上であることが好ましく、30重量%以上であることがより好ましい。上限については特に限定されない。20重量%未満では、十分なプロトン伝導性を有さなくなる可能性がある。ここで、高分子電解質の全体の重量とは、高分子電解質を酸で処理した後の、ポリマー中のスルホン酸基をSOHの状態にしたものの乾燥重量である。スルホン酸基を有する成分がいくつかある場合、H−NMRスペクトルなどの分析手法から成分比を求めることができる。 In the polymer electrolyte used in the present invention, the total content of the structure represented by the formula (1) is preferably 20% by weight or more, and more preferably 30% by weight or more. The upper limit is not particularly limited. If it is less than 20% by weight, it may not have sufficient proton conductivity. Here, the total weight of the polymer electrolyte is the dry weight of the polymer electrolyte after the polymer electrolyte is treated with an acid and the sulfonic acid group in the polymer is in the SO 3 H state. When there are some components having a sulfonic acid group, the component ratio can be determined from an analytical method such as a 1 H-NMR spectrum.

前記式(1)で示される構造は、原料の入手の容易さの点で、Arがベンゼン環である、下記式(4):

Figure 0006202422
(式中、X、a、b、m、nは前記式(1)と同様である。)
で示される構造であることが好ましい。 The structure represented by the formula (1) is based on the following formula (4), in which Ar is a benzene ring in terms of easy availability of raw materials:
Figure 0006202422
(In the formula, X, a, b, m and n are the same as those in the formula (1).)
It is preferable that it is a structure shown by these.

本発明で使用する高分子電解質としては、合成の容易さから、下記式(2)

Figure 0006202422
(式中、Ar、m、nは前記式(1)と同様である。YはSO、C(CH、またはC(CFであり、Zは直接結合、酸素、または硫黄を示す。)および/または下記式(3) As the polymer electrolyte used in the present invention, the following formula (2)
Figure 0006202422
(In the formula, Ar, m, and n are the same as those in the above formula (1). Y 1 is SO 2 , C (CH 3 ) 2 , or C (CF 3 ) 2 , Z is a direct bond, oxygen, Or represents sulfur) and / or the following formula (3):

Figure 0006202422
(式中、Ar、m、nは前記式(1)と同様である。YはCO、SO、C(CH、またはC(CFであり、Yとは異なる。Zは直接結合、酸素、または硫黄を示す。)
で示される構造を主鎖に有することが好ましい。また、式(2)で示される構造成分Aモルに対し、式(3)で示される構造成分Bモルが、B/(A+B)が0〜0.95を満たすことが好ましく、0〜0.60であることがより好ましい。また、n/(m+n)は、0〜0.95が好ましく、0.30〜0.90であることがより好ましい。
Figure 0006202422
(In the formula, Ar, m, and n are the same as those in the formula (1). Y 2 is CO, SO 2 , C (CH 3 ) 2 , or C (CF 3 ) 2 , and is different from Y 1. Z represents a direct bond, oxygen or sulfur.)
It is preferable to have a structure represented by Moreover, it is preferable that B / (A + B) satisfy | fills 0-0.95 with respect to the structural component A mol shown by Formula (2), B / (A + B) shown by Formula (3). 60 is more preferable. Further, n / (m + n) is preferably 0 to 0.95, and more preferably 0.30 to 0.90.

式(2)および式(3)で示される構造の総含有量は、全体の20重量%以上であることが好ましく、30重量%以上であることがより好ましい。また、95重量%以下であることが好ましく、90重量%以下であることがより好ましく、80重量%以下であることがさらに好ましく、70重量%以下であることが特に好ましい。20重量%未満であると、耐水性が低下する傾向があり、95重量%を超えると、伝導性能が低下する傾向がある。 The total content of the structures represented by the formulas (2) and (3) is preferably 20% by weight or more, and more preferably 30% by weight or more. Further, it is preferably 95% by weight or less, more preferably 90% by weight or less, further preferably 80% by weight or less, and particularly preferably 70% by weight or less. When the amount is less than 20% by weight, the water resistance tends to decrease, and when the amount exceeds 95% by weight, the conduction performance tends to decrease.

前記式(2)および(3)で示される構造は、原料の入手の容易さの点で、それぞれArがベンゼン環であって、mとnがともに1である、下記式(5)

Figure 0006202422
(式中、Y、Zは前記式(2)と同様である。)
および下記式(6)
Figure 0006202422
(式中、Y、Zは前記式(3)と同様である。)
で示される構造であることが好ましい。 In the structures represented by the formulas (2) and (3), Ar is a benzene ring and m and n are both 1 in terms of easy availability of raw materials.
Figure 0006202422
(Wherein Y 1 and Z are the same as those in the formula (2)).
And the following formula (6)
Figure 0006202422
(In the formula, Y 2 and Z are the same as those in the formula (3).)
It is preferable that it is a structure shown by these.

本発明で使用する高分子電解質としては、加工性の容易さの点で、さらに前記式(1)とは異なる構造の下記式(7)

Figure 0006202422
(式中、Ar、X、a、b、m、nは、前記式(1)と同様であり、Zは前記式(2)と同様である。Wは直接結合、CO、SO、C(CH、またはC(CFである。)
で示される構造を主鎖に含んでもよい。また、n/(m+n)は、0〜0.95が好ましい。 As the polymer electrolyte used in the present invention, the following formula (7) having a structure different from the formula (1) from the viewpoint of ease of workability.
Figure 0006202422
(In the formula, Ar, X, a, b, m, and n are the same as in the above formula (1), and Z is the same as in the above formula (2). W is a direct bond, CO, SO 2 , C (CH 3 ) 2 or C (CF 3 ) 2
The structure represented by may be included in the main chain. Further, n / (m + n) is preferably 0 to 0.95.

前記式(7)で示される構造を含む場合は、式(1)で示される構造と式(7)で示される構造の総含有量が全体の5重量%以上であることが好ましく、10重量%以上であることがより好ましい。上限については特に限定されないが、80重量%以下であることが好ましく、70重量%以下であることがより好ましい。80重量%を超えると水への耐溶解性が低下し、5重量%未満では、加工性が低下する傾向がある。 When the structure represented by the formula (7) is included, the total content of the structure represented by the formula (1) and the structure represented by the formula (7) is preferably 5% by weight or more based on the total weight. % Or more is more preferable. The upper limit is not particularly limited, but is preferably 80% by weight or less, and more preferably 70% by weight or less. If it exceeds 80% by weight, the resistance to dissolution in water decreases, and if it is less than 5% by weight, the workability tends to decrease.

本発明で使用する高分子電解質としては、上記構造を主鎖に有していればランダム共重合体であってもよいし、グラフト共重合体やブロック共重合体でもよい。低加湿条件では高分子電解質膜内部の水が少なくなるが、プロトン伝導を高めるためにはプロトン伝導の媒体となる水を有効に利用する必要があり、そのためにはミクロ相分離構造を形成し、水の多い相を作り出すことのできるブロック共重合体であることがさらに好ましい。 The polymer electrolyte used in the present invention may be a random copolymer, a graft copolymer or a block copolymer as long as it has the above structure in the main chain. Under low humidification conditions, the water inside the polymer electrolyte membrane is reduced, but in order to enhance proton conduction, it is necessary to effectively use water as a proton conducting medium, and for that purpose, a micro phase separation structure is formed, More preferably, it is a block copolymer capable of producing a water-rich phase.

さらに、ミクロ相分離構造を形成するブロック共重合体において、親水性の相と疎水性の相を相分離させることで親水性の相により多くの水を集めることが可能であることから、スルホン酸基を有する親水性セグメントとスルホン酸基を有さない疎水性セグメントからなるブロック共重合体であることが好ましい。 Furthermore, in the block copolymer that forms a microphase separation structure, it is possible to collect more water in the hydrophilic phase by separating the hydrophilic phase and the hydrophobic phase. It is preferably a block copolymer comprising a hydrophilic segment having a group and a hydrophobic segment not having a sulfonic acid group.

スルホン酸基を有する親水性セグメントは、前記式(1)で示される構造を有することが好ましく、式(1)においてa、bおよびnが1である、下記式(8)

Figure 0006202422
(式中、Ar、X、mは前記式(1)と同様である。)
で示される構造を有することが好ましい。 The hydrophilic segment having a sulfonic acid group preferably has a structure represented by the above formula (1). In the formula (1), a, b and n are 1, and the following formula (8)
Figure 0006202422
(In the formula, Ar, X and m are the same as those in the formula (1).)
It is preferable to have the structure shown by these.

また、高分子電解質全体の重量の20重量%以上が前記式(1)で示される構造であることが好ましく、30重量%以上であることがより好ましい。上限については特に限定されない。20重量%未満では、水への耐溶解性が低下する傾向がある。 Moreover, it is preferable that 20 weight% or more of the weight of the whole polymer electrolyte is a structure shown by said Formula (1), and it is more preferable that it is 30 weight% or more. The upper limit is not particularly limited. If it is less than 20% by weight, the resistance to dissolution in water tends to decrease.

スルホン酸基を有さない疎水性セグメントとしては、高分子量ポリマーが得やすい構造であることが好ましく、下記式(2)

Figure 0006202422
(式中、Ar、m、nは前記式(1)と同様である。YはSO、C(CH、またはC(CFであり、Zは直接結合、酸素、または硫黄を示す。)および/または下記式(3) The hydrophobic segment having no sulfonic acid group preferably has a structure in which a high molecular weight polymer can be easily obtained.
Figure 0006202422
(In the formula, Ar, m, and n are the same as those in the above formula (1). Y 1 is SO 2 , C (CH 3 ) 2 , or C (CF 3 ) 2 , Z is a direct bond, oxygen, Or represents sulfur) and / or the following formula (3):

Figure 0006202422
(式中、Ar、m、nは前記式(1)と同様である。YはCO、SO、C(CH、またはC(CFであり、Yとは異なる。Zは直接結合、酸素、または硫黄を示す。)
で示される構造を含むものが、有機溶媒への溶解性が良好で高分子量ポリマーを得やすいため好ましい。
Figure 0006202422
(In the formula, Ar, m, and n are the same as those in the formula (1). Y 2 is CO, SO 2 , C (CH 3 ) 2 , or C (CF 3 ) 2 , and is different from Y 1. Z represents a direct bond, oxygen or sulfur.)
Those having a structure represented by the formula (1) are preferred because they have good solubility in organic solvents and are easy to obtain high molecular weight polymers.

式(2)および式(3)で示される構造の総含有量は、全体の20重量%以上であることが好ましく、30重量%以上であることがより好ましい。また、95重量%以下であることが好ましく、90重量%以下であることがより好ましく、80重量%以下であることがさらに好ましく、70重量%以下であることが特に好ましい。20重量%未満であると、耐水性が低下する傾向があり、95重量%を超えると、伝導性能が低下する傾向がある。 The total content of the structures represented by the formulas (2) and (3) is preferably 20% by weight or more, and more preferably 30% by weight or more. Further, it is preferably 95% by weight or less, more preferably 90% by weight or less, further preferably 80% by weight or less, and particularly preferably 70% by weight or less. When the amount is less than 20% by weight, the water resistance tends to decrease, and when the amount exceeds 95% by weight, the conduction performance tends to decrease.

本発明で使用する高分子電解質としては、イオン交換容量が1.0〜4.0ミリ当量/gであるものが好ましく、1.2〜3.8ミリ当量/gであるものがより好ましく、1.4〜3.6ミリ当量/gであるものがさらに好ましい。 The polymer electrolyte used in the present invention preferably has an ion exchange capacity of 1.0 to 4.0 meq / g, more preferably 1.2 to 3.8 meq / g, What is 1.4-3.6 meq / g is more preferable.

また、本発明で使用する高分子電解質がグラフト共重合体やブロック共重合体である場合、親水性セグメントのイオン交換容量はプロトン伝導性の面から、1.0〜6.5ミリ当量/gが好ましく、5.3〜6.0ミリ当量/gがより好ましく、5.8〜6.0ミリ当量/gがさらに好ましい。 Further, when the polymer electrolyte used in the present invention is a graft copolymer or a block copolymer, the ion exchange capacity of the hydrophilic segment is 1.0 to 6.5 meq / g from the viewpoint of proton conductivity. Is preferably 5.3 to 6.0 meq / g, and more preferably 5.8 to 6.0 meq / g.

また、本発明で使用する高分子電解質としては一部または全てのスルホン酸基は電子求引性基を有する芳香環上に存在することが好ましい。より好ましくは、下記式

Figure 0006202422
(式中、Xは水素か陽イオンである。Yは2価の電子求引性基を示し、例えばCO、SO、あるいはC(CFなどである。)
で示される構造であり、さらに好ましくは下記式 Moreover, as a polymer electrolyte used by this invention, it is preferable that a part or all sulfonic acid group exists on the aromatic ring which has an electron withdrawing group. More preferably, the following formula
Figure 0006202422
(In the formula, X represents hydrogen or a cation. Y represents a divalent electron-withdrawing group such as CO, SO 2 , or C (CF 3 ) 2. )
And more preferably the following formula:

Figure 0006202422
(式中、Xは水素か陽イオンである。Yは2価の電子求引性基を示し、例えばCO、SO、あるいはC(CFなどである。)
で示される構造であり、もっとも好ましくは下記式
Figure 0006202422
(In the formula, X represents hydrogen or a cation. Y represents a divalent electron-withdrawing group such as CO, SO 2 , or C (CF 3 ) 2. )
And most preferably the following formula:

Figure 0006202422
(式中、Xは水素か陽イオンである。Yは2価の電子求引性基を示し、例えばCO、SO、あるいはC(CFなどである。)
で示される構造である。
Figure 0006202422
(In the formula, X represents hydrogen or a cation. Y represents a divalent electron-withdrawing group such as CO, SO 2 , or C (CF 3 ) 2. )
It is a structure shown by.

高分子電解質に含まれる重量比について、スルホン酸基を有する成分とスルホン酸基を有さない成分の重量比は高分子電解質のイオン交換容量から求めることができる。 Regarding the weight ratio contained in the polymer electrolyte, the weight ratio between the component having a sulfonic acid group and the component having no sulfonic acid group can be determined from the ion exchange capacity of the polymer electrolyte.

(3.高分子電解質の調製)
本発明で使用する高分子電解質の調製は、一般的な重合反応(「実験化学講座第4版 有機合成VII 有機金属試薬による合成」P353−366(1991)丸善株式会社)などを適用することができる。
(3. Preparation of polymer electrolyte)
The polymer electrolyte used in the present invention may be prepared by applying a general polymerization reaction ("Experimental Chemistry Course 4th Edition Organic Synthesis VII Synthesis Using Organometallic Reagents" P353-366 (1991) Maruzen Co., Ltd.). it can.

重合に用いる材料には脱離基を2箇所以上に有する化合物を用いることができ、ハロゲン基やスルホン酸エステル基などの脱離基を有する化合物を用いることができる。材料入手の点と反応性の点から、脱離基として塩素や臭素やヨウ素といったハロゲン基を2箇所に有する化合物であることが好ましい。 As the material used for the polymerization, a compound having two or more leaving groups can be used, and a compound having a leaving group such as a halogen group or a sulfonate group can be used. From the viewpoint of availability of materials and reactivity, a compound having halogen groups such as chlorine, bromine and iodine as two leaving groups is preferable.

材料の分子量は50〜1000000であることが好ましく、とくにスルホン酸基を有する親水性セグメントを形成する材料の分子量は100〜50000が好ましく、またスルホン酸基を有さない疎水性セグメントを形成する材料の分子量は1000〜100000が好ましい。これらの材料によって合成される高分子電解質の分子量は10000〜5000000が好ましく、より好ましくは20000〜1000000であることが高分子電解質膜を製造するための加工性と高分子電解質膜の強度が共に優れるため好ましい。 The molecular weight of the material is preferably 50 to 1,000,000, and the molecular weight of the material forming a hydrophilic segment having a sulfonic acid group is particularly preferably 100 to 50,000, and the material forming a hydrophobic segment having no sulfonic acid group The molecular weight of is preferably 1000 to 100,000. The molecular weight of the polymer electrolyte synthesized by these materials is preferably 10,000 to 5,000,000, and more preferably 20,000 to 1,000,000, both workability for producing the polymer electrolyte membrane and the strength of the polymer electrolyte membrane are excellent. Therefore, it is preferable.

重合反応は不活性ガス雰囲気下であれば、窒素ガス雰囲気下でもアルゴンガス雰囲気下でも行なうことができる。 The polymerization reaction can be carried out in a nitrogen gas atmosphere or an argon gas atmosphere as long as it is in an inert gas atmosphere.

末端にハロゲン基などの脱離基を有する材料同士の重合反応を実施する場合、ゼロ価遷移金属錯体の共存下に実施することが好ましい。上記ゼロ価遷移金属錯体は遷移金属にハロゲン元素や配位子が配位したものであり、市販品でも別途多価金属錯体から調製したものでもいずれも使用できる。 When carrying out a polymerization reaction between materials having a leaving group such as a halogen group at the terminal, it is preferably carried out in the presence of a zero-valent transition metal complex. The zero-valent transition metal complex is a transition metal in which a halogen element or a ligand is coordinated, and either a commercially available product or one prepared separately from a polyvalent metal complex can be used.

ゼロ価遷移金属錯体の調製方法は、例えば、遷移金属塩や遷移金属酸化物と配位子とを反応させる方法や、遷移金属化合物を亜鉛やマグネシウムなどの還元剤でゼロ価とする方法等の公知の方法が挙げられる。調製したゼロ価遷移金属錯体は、調製した系から取り出して使用してもよいし、そのままin situで使用してもよい。 The preparation method of the zero-valent transition metal complex includes, for example, a method of reacting a transition metal salt or transition metal oxide with a ligand, a method of making a transition metal compound zero-valent with a reducing agent such as zinc or magnesium, etc. A well-known method is mentioned. The prepared zero-valent transition metal complex may be used after being taken out from the prepared system, or may be used in situ as it is.

ゼロ価遷移金属錯体としては、例えば、ゼロ価ニッケル錯体、ゼロ価パラジウム錯体、ゼロ価白金錯体、ゼロ価銅錯体が挙げられる。これら遷移金属錯体の中でもゼロ価ニッケル錯体、ゼロ価パラジウム錯体が好ましく用いられ、ゼロ価ニッケル錯体がより好ましく用いられる。具体的には、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)、(エチレン)ビス(トリフェニルホスフィン)ニッケル(0)、テトラキス(トリフェニルホスフィン)ニッケル、テトラキス(トリフェニルホスフィン)パラジウム(0)が挙げられる。中でも、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル(0)が、反応性、得られるポリマー等の収率、得られるポリマー等の高分子量化という点から好ましい。 Examples of the zero-valent transition metal complex include a zero-valent nickel complex, a zero-valent palladium complex, a zero-valent platinum complex, and a zero-valent copper complex. Among these transition metal complexes, a zero-valent nickel complex and a zero-valent palladium complex are preferably used, and a zero-valent nickel complex is more preferably used. Specifically, bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0), (ethylene) bis (triphenylphosphine) nickel (0), tetrakis (triphenylphosphine) nickel, tetrakis (triphenylphosphine) palladium ( 0). Among these, bis (1,5-cyclooctadiene) nickel (0) is preferable from the viewpoint of reactivity, yield of the obtained polymer and the like, and increase in the molecular weight of the obtained polymer and the like.

ゼロ価遷移金属錯体を用いた縮合反応の際、得られるポリマーの収率向上の観点から、配位子として該ゼロ価遷移金属と共に錯体を形成し得る化合物を反応系に添加することが好ましい。添加する化合物は使用したゼロ価遷移金属錯体の配位子と同じであっても異なっていてもよい。具体的には、汎用性、経済性、反応性、得られるポリマー等の収率、得られるポリマーの高分子量化の点でトリフェニルホスフィン、2,2’−ビピリジルが好ましい。特に、ポリマーの収率向上や高分子量化の点で2,2’−ビピリジルを用いることが好ましい。配位子の添加量は、ゼロ価遷移金属錯体にある遷移金属原子を基準として、0.2〜10モル倍程度が好ましく、1〜5モル倍程度がより好ましい。 In the condensation reaction using a zero-valent transition metal complex, it is preferable to add a compound capable of forming a complex with the zero-valent transition metal as a ligand to the reaction system from the viewpoint of improving the yield of the resulting polymer. The compound to be added may be the same as or different from the ligand of the zero-valent transition metal complex used. Specifically, triphenylphosphine and 2,2'-bipyridyl are preferable from the viewpoints of versatility, economy, reactivity, yield of the obtained polymer and the like and high molecular weight of the obtained polymer. In particular, it is preferable to use 2,2'-bipyridyl in terms of improving the polymer yield and increasing the molecular weight. The addition amount of the ligand is preferably about 0.2 to 10 mol times, more preferably about 1 to 5 mol times based on the transition metal atom in the zero-valent transition metal complex.

ゼロ価遷移金属錯体の使用量は、重合に使用するモノマー等の脱離基を有する化合物の総モル量に対して、0.1モル倍以上であることが好ましい。使用量が過少であると、生成するポリマーの分子量が小さくなる傾向があり、より好ましくは1.5モル倍以上、さらに好ましくは1.8モル倍以上、より一層好ましくは2.1モル倍以上用いる。一方、使用量の上限は特に制限はないが、使用量が多すぎると配位子に由来する低分子量不純物の除去処理が煩雑になり、これらが高分子電解質の内部に混入した場合、電圧低下等の不具合の原因となるため、5.0モル倍以下であることが好ましい。 The amount of the zero-valent transition metal complex used is preferably 0.1 mol times or more with respect to the total molar amount of the compound having a leaving group such as a monomer used for polymerization. If the amount used is too small, the molecular weight of the resulting polymer tends to be small, more preferably 1.5 mole times or more, still more preferably 1.8 mole times or more, even more preferably 2.1 mole times or more. Use. On the other hand, the upper limit of the amount used is not particularly limited, but if the amount used is too large, the removal process of low molecular weight impurities derived from the ligand becomes complicated, and if these are mixed inside the polymer electrolyte, the voltage drops. Therefore, it is preferably 5.0 mole times or less.

重合反応における溶媒としては、重合を禁止するものでなければ特に制限は無く、カーボネート化合物(エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート等)、複素環化合物(3−メチル−2−オキサゾリジノン、1−メチル−2−ピロリドン(以下NMP)、N,N−ジメチルイミダゾリジノン(以下DMI)等)、環状エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフラン等)、鎖状エーテル類(ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル等)、ニトリル化合物(アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル等)、非プロトン極性物質(N,N−ジメチルアセトアミド(以下DMAc)、N,N−ジメチルホルムアミド(以下DMF)、ジメチルスルホキシド(以下DMSO)、スルホラン等)、非極性溶媒(トルエン、キシレン等)などが列挙でき、中でも溶解度からDMAcやDMF、NMP、DMI、DMSO等が、ポリマーの溶解性が高いため好ましい。なかでもDMAcとDMSOが溶解性の高さからより好ましく、これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい。また、溶媒中に微量存在する水を取り除くため、ベンゼンやトルエン、キシレン、シクロヘキサンなどの共沸溶媒を添加して水を共沸により除くことが有効である。 The solvent in the polymerization reaction is not particularly limited as long as polymerization is not prohibited, and carbonate compounds (ethylene carbonate, propylene carbonate, etc.), heterocyclic compounds (3-methyl-2-oxazolidinone, 1-methyl-2-pyrrolidone) (Hereinafter referred to as NMP), N, N-dimethylimidazolidinone (hereinafter referred to as DMI), cyclic ethers (dioxane, tetrahydrofuran, etc.), chain ethers (diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, etc.), nitrile compounds (acetonitrile, Glutaronitrile, methoxyacetonitrile, etc.), aprotic polar substances (N, N-dimethylacetamide (hereinafter DMAc), N, N-dimethylformamide (hereinafter DMF), dimethyl sulfoxide (hereinafter DMSO), sulfolane, etc.), nonpolar solubility (Toluene, xylene), etc. can be enumerated, among others DMAc or DMF from solubility, NMP, DMI, DMSO and the like is preferable because of high solubility in the polymer. Among these, DMAc and DMSO are more preferable because of their high solubility, and these may be used alone or in combination of two or more. In addition, in order to remove a small amount of water in the solvent, it is effective to add azeotropic solvent such as benzene, toluene, xylene, cyclohexane and remove water by azeotropic distillation.

重合工程の反応温度は適宜設定すればよい。具体的には0〜200℃が好ましく、より好ましくは20〜170℃であり、さらに好ましくは40〜140℃である。0℃よりも低温であれば反応速度が遅く、200℃よりも高温であれば微量不純物などの影響を大きく受け、高分子の着色や副反応が起きる場合がある。 What is necessary is just to set the reaction temperature of a superposition | polymerization process suitably. Specifically, 0-200 degreeC is preferable, More preferably, it is 20-170 degreeC, More preferably, it is 40-140 degreeC. If the temperature is lower than 0 ° C., the reaction rate is slow, and if the temperature is higher than 200 ° C., the reaction is greatly affected by a small amount of impurities and coloring of the polymer or side reaction may occur.

高分子電解質をブロック共重合体として合成する場合、スルホン酸基を有する親水性セグメントを形成する材料として、脱離基を2箇所以上に有する化合物を用いることができる。脱離基としてはハロゲン基やスルホン酸エステル基などが挙げられる。好ましくは芳香環上に脱離基を有する化合物が好ましく、材料の入手の容易さからジクロロベンゼン誘導体、ジクロロベンゾフェノン誘導体、ジクロロフェニルスルホン誘導体がより好ましい。 When the polymer electrolyte is synthesized as a block copolymer, a compound having two or more leaving groups can be used as a material for forming a hydrophilic segment having a sulfonic acid group. Examples of the leaving group include a halogen group and a sulfonate group. A compound having a leaving group on the aromatic ring is preferable, and a dichlorobenzene derivative, a dichlorobenzophenone derivative, and a dichlorophenylsulfone derivative are more preferable in view of availability of materials.

スルホン酸基を有さない疎水性セグメントを形成する材料として、脱離基を2箇所以上に有する化合物を用いることができる。脱離基としてはハロゲン基やスルホン酸エステル基などが挙げられる。好ましくは芳香環上に脱離基を有する化合物が好ましく、材料の入手の容易さからジクロロベンゼン誘導体、ジクロロベンゾフェノン誘導体、ジクロロフェニルスルホン誘導体、或いは少なくともこれらを原料として合成され、脱離基を2箇所以上に有するポリマーがより好ましい。疎水性セグメントを形成する材料がポリマーである場合、分子量は1000〜100000であることが好ましい。 As a material for forming a hydrophobic segment having no sulfonic acid group, a compound having two or more leaving groups can be used. Examples of the leaving group include a halogen group and a sulfonate group. Preferably, a compound having a leaving group on an aromatic ring is preferred. From the viewpoint of easy availability of the material, a dichlorobenzene derivative, a dichlorobenzophenone derivative, a dichlorophenylsulfone derivative, or at least these are synthesized as raw materials, and two or more leaving groups are provided. More preferred is a polymer. When the material forming the hydrophobic segment is a polymer, the molecular weight is preferably 1000 to 100,000.

本発明におけるような高分子電解質を合成する場合、親水性セグメントおよび疎水性セグメント材料に含まれるカルボニル基の一部、または全てを保護することで剛直性を低下させ、より高分子量のポリマーを得ることができる。 When synthesizing a polyelectrolyte as in the present invention, the rigidity is lowered by protecting part or all of the carbonyl groups contained in the hydrophilic segment and the hydrophobic segment material, and a higher molecular weight polymer is obtained. be able to.

カルボニル基の保護とは、有機合成で一般的に行なわれる方法であり、合成の過程においてカルボニル基が不利に働く場合に一時的に性質の異なる官能基へと変換することである。通常、カルボニル基を保護したものは脱保護によりカルボニル基へ変換することが可能である。 The protection of the carbonyl group is a method generally performed in organic synthesis, and is to temporarily convert into a functional group having different properties when the carbonyl group works adversely in the process of synthesis. Usually, a carbonyl group protected can be converted to a carbonyl group by deprotection.

カルボニル基の保護には、例えば一般的な方法として(Theodora W. Greene著の「Protective Groups in Organic Synthesis Third Edition」p.293−368(1999)John Wiley & Sons,Inc.)を適用することができる。保護はモノマーの段階、オリゴマーの段階、ポリマーの段階のいずれでも行なうことができる。 For protecting the carbonyl group, for example, as a general method (“Protective Groups in Organic Synthesis Edition”, p. 293-368 (1999) John Wiley & Sons, Theodora W. Greene) can be applied. it can. Protection can take place at any of the monomer, oligomer and polymer stages.

カルボニル基の保護は、具体的な例としてはカルボニル基をアルコールと反応させることでアセタールまたはケタールへと変換する方法がある。例えば、特開2007−59374号公報の方法などが挙げられる。他の例としてはカルボニル基をアミンと反応させてイミンまたはケチミンへと変換する方法がある。例えば、「Macromolecules 1994,27,2354−2356」に記載の方法などが挙げられる。いずれも脱保護の方法としては例示した文献記載の方法などを用いることができる。ここで挙げたアセタールやケタール、イミン、ケチミンは加水分解性があり、水を含む溶媒中で脱保護をすることができる。一般的には脱保護を加速するために酸性条件下で行なう。 A specific example of the protection of the carbonyl group is a method of converting the carbonyl group into an acetal or ketal by reacting the carbonyl group with an alcohol. For example, the method of Unexamined-Japanese-Patent No. 2007-59374 etc. are mentioned. Another example is a method in which a carbonyl group is reacted with an amine to convert it to an imine or ketimine. Examples thereof include the method described in “Macromolecules 1994, 27, 2354-2356”. In any case, as a deprotection method, the method described in the cited literature can be used. Acetals, ketals, imines and ketimines mentioned here are hydrolyzable and can be deprotected in a solvent containing water. In general, it is carried out under acidic conditions in order to accelerate deprotection.

具体的には前記式(1)のカルボニル基を保護して、CR、またはC=NRへと変換する方法がある。R及びRはアルコキシ基あるいはアリーロキシ基を示し、CRは環状構造を成していてもよい。またR3はアルキル基あるいはアリール基を示す。 Specifically, there is a method in which the carbonyl group of the formula (1) is protected and converted to CR 1 R 2 or C═NR 3 . R 1 and R 2 represent an alkoxy group or an aryloxy group, and CR 1 R 2 may have a cyclic structure. R3 represents an alkyl group or an aryl group.

脱保護する場合は、水または酸性水溶液に接触させると容易に脱保護することができる。さらに脱保護は加工の容易さの点から、フィルム形状で行なうことが好ましい。カルボニル基の保護は、モノマー、オリゴマー、ポリマーのいずれの段階で行なってもよいが、脱保護はポリマーの段階で行なうことが好ましい。 In the case of deprotection, it can be easily deprotected by contact with water or an acidic aqueous solution. Further, the deprotection is preferably performed in the form of a film from the viewpoint of ease of processing. The carbonyl group may be protected at any stage of monomer, oligomer, or polymer, but deprotection is preferably performed at the polymer stage.

重合工程後の処理として、必要に応じて高分子電解質を酸で洗浄する。ここで使用する酸としては、ポリマーの末端をプロトン化できる酸であればよく、例えば無機酸としては硫酸、硝酸、塩酸、臭化水素、ヨウ化水素、次亜塩素酸、亜塩素酸、塩素酸、過塩素酸、リン酸、フルオロスルホン酸などが挙げられ、有機酸としては、酢酸、ギ酸、トルエンスルホン酸、メタンスルホン酸などが挙げられる。 As a treatment after the polymerization step, the polymer electrolyte is washed with an acid as necessary. The acid used here may be any acid that can protonate the end of the polymer. For example, as the inorganic acid, sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, hydrogen bromide, hydrogen iodide, hypochlorous acid, chlorous acid, chlorine Examples include acids, perchloric acid, phosphoric acid, and fluorosulfonic acid. Examples of organic acids include acetic acid, formic acid, toluenesulfonic acid, methanesulfonic acid, and the like.

使用する酸の濃度は反応に応じて適宜設定すればよく、具体的には0.1〜20Nが好ましい。より好ましくは、0.5〜15Nであり、さらに好ましくは1〜12Nである。0.1Nより薄いと精製効果が不十分となり、20Nより濃いと後の洗浄が煩雑となる。 What is necessary is just to set the density | concentration of the acid to be used suitably according to reaction, and 0.1-20N is specifically preferable. More preferably, it is 0.5-15N, More preferably, it is 1-12N. If it is thinner than 0.1N, the purification effect becomes insufficient, and if it is thicker than 20N, the subsequent cleaning becomes complicated.

洗浄に用いる酸の量は適宜設定すればよく、具体的にはポリマーの仕込み量1重量部に対して、0.1〜1000重量部が好ましく、より好ましくは1〜500重量部であり、さらに好ましくは1〜100重量部である。0.1重量部よりも少ないと、析出した固体が十分酸と接触しない可能性があり、1000重量部よりも多いと水洗工程での酸の除去が煩雑になる可能性がある。 What is necessary is just to set the quantity of the acid used for washing | cleaning suitably, specifically 0.1-1000 weight part is preferable with respect to 1 weight part of preparation amounts of a polymer, More preferably, it is 1-500 weight part, Preferably it is 1-100 weight part. If the amount is less than 0.1 parts by weight, there is a possibility that the precipitated solid does not sufficiently come into contact with the acid. If the amount is more than 1000 parts by weight, removal of the acid in the water washing step may be complicated.

本発明の製造方法により得られる高分子電解質膜は、様々な産業上の利用が考えられ、その利用(用途)については特に制限されるものではないが、高分子電解質膜、膜/電極接合体、燃料電池に好適である。 The polymer electrolyte membrane obtained by the production method of the present invention can be used in various industries, and its use (use) is not particularly limited, but the polymer electrolyte membrane, the membrane / electrode assembly Suitable for fuel cells.

(4.燃料電池用電解質膜)
本発明の製造方法により得られる高分子電解質を用いて、燃料電池用電解質膜を調製することができる。この高分子電解質膜は、上述の高分子電解質を膜形状(フィルム形状)に加工したものである。このような製膜方法としては、公知の方法が適宜適用される。上記公知の方法としては、例えば、ホットプレス法、インフレーション法、Tダイ法などの溶融押出成形、キャスト法、エマルション法などの溶液からの製膜方法が例示されうる。例えば溶液からの製膜方法としては、キャスト法が例示される。これは粘度を調整した高分子電解質の溶液を、ガラス板などの平板上に、バーコーター、ブレードコーターなどを用いて塗布し、溶媒を気化させて膜を得る方法である。工業的には溶液を連続的にコートダイからベルト上に塗布し、溶媒を気化させて長尺物を得る方法も一般的である。
(4. Fuel cell electrolyte membrane)
An electrolyte membrane for a fuel cell can be prepared using the polymer electrolyte obtained by the production method of the present invention. This polymer electrolyte membrane is obtained by processing the above-described polymer electrolyte into a membrane shape (film shape). As such a film forming method, a known method is appropriately applied. Examples of the known methods include film forming methods from solutions such as hot extrusion methods, inflation methods, melt extrusion molding such as T-die methods, casting methods, and emulsion methods. For example, a casting method is exemplified as a method for forming a film from a solution. This is a method in which a polymer electrolyte solution with adjusted viscosity is applied onto a flat plate such as a glass plate using a bar coater, a blade coater, or the like, and a solvent is vaporized to obtain a film. Industrially, it is also common to apply a solution continuously from a coating die onto a belt and vaporize the solvent to obtain a long product.

さらに高分子電解質の分子配向などを制御するために、得られた高分子電解質膜に対して二軸延伸などの処理を施したり、結晶化度を制御するための熱処理を施したりしてもよい。また、高分子電解質膜の機械強度を向上させるために各種フィラーを添加したり、ガラス布織布などの補強剤と高分子電解質とをプレスにより複合化させたりしてもよい。 Furthermore, in order to control the molecular orientation of the polymer electrolyte, the obtained polymer electrolyte membrane may be subjected to a treatment such as biaxial stretching or a heat treatment for controlling the crystallinity. . Further, various fillers may be added to improve the mechanical strength of the polymer electrolyte membrane, or a reinforcing agent such as a glass cloth may be combined with the polymer electrolyte by pressing.

高分子電解質膜の厚さは、用途に応じて任意の厚さを選択することができる。例えば、得られる高分子電解質膜の内部抵抗を低減することを考慮した場合、高分子電解質膜の厚みは薄いほどよい。一方、得られた高分子電解質膜のガス遮断性やハンドリング性を考慮すると、高分子電解質膜の厚みは薄すぎると好ましくない場合がある。これらを考慮すると、高分子電解質膜の厚みは1.2μm以上350μm以下であることが好ましい。この範囲内であれば、取り扱いが容易であり、破損が生じ難いなどハンドリング性が向上する。また、得られた高分子電解質膜のプロトン伝導性も所望の範囲で発現させることができる。 As the thickness of the polymer electrolyte membrane, any thickness can be selected according to the application. For example, when considering reducing the internal resistance of the obtained polymer electrolyte membrane, the thinner the polymer electrolyte membrane, the better. On the other hand, in consideration of gas barrier properties and handling properties of the obtained polymer electrolyte membrane, it may not be preferable if the thickness of the polymer electrolyte membrane is too thin. Considering these, the thickness of the polymer electrolyte membrane is preferably 1.2 μm or more and 350 μm or less. If it is in this range, handling will be improved, such as easy handling and less damage. In addition, the proton conductivity of the obtained polymer electrolyte membrane can be expressed within a desired range.

なお、高分子電解質膜の特性をさらに向上させるために、電子線、γ線、イオンビーム等の放射線を照射させることも可能である。これらにより、高分子電解質中に架橋構造などが導入でき、さらに性能が向上する場合がある。また、プラズマ処理やコロナ処理などの各種表面処理により、高分子電解質膜表面の触媒層との接着性を上げるなどの特性向上を図ることもできる。 In order to further improve the properties of the polymer electrolyte membrane, it is possible to irradiate radiation such as electron beam, γ-ray, ion beam and the like. By these, a crosslinked structure etc. can be introduce | transduced in a polymer electrolyte, and a performance may improve further. In addition, various surface treatments such as plasma treatment and corona treatment can improve properties such as improving adhesion to the catalyst layer on the surface of the polymer electrolyte membrane.

以下、本発明をさらに詳しく説明する。
調製した高分子電解質の分子量、金属残存量、イオン残存量の測定方法を以下に示す。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
A method for measuring the molecular weight, metal residual amount, and ion residual amount of the prepared polymer electrolyte is shown below.

<分子量の測定>
調製したオリゴマーや高分子電解質の分子量はGPC法により測定し、標準ポリスチレン試料を用いた換算値から算出した。
GPC測定装置 東ソー社製HLC−8220
カラム 昭和電工社製 SuperAW4000、SuperAW2500の2本を直列に接続
カラム温度 40℃
移動相 NMP(LiBr 10mmol/dm
流量 0.3mL/min
検出器 RI検出器
<Measurement of molecular weight>
The molecular weights of the prepared oligomers and polymer electrolytes were measured by the GPC method and calculated from converted values using standard polystyrene samples.
GPC measuring device HLC-8220 manufactured by Tosoh Corporation
Column Showa Denko Super AW 4000, Super AW 2500 connected in series Column temperature 40 ° C
Mobile phase NMP (LiBr 10 mmol / dm 3 )
Flow rate 0.3mL / min
Detector RI detector

<ICP−MS法による金属含有量の測定>
前処理として、試料を秤量後、硫酸及び硝酸を加えてマイクロウェーブ分解装置にて加圧酸分解した。分解液25mLを定容し、ICP−MS法により分析した。
装置 アジレント・テクノロジー社製 Agilent 7500CX
<Measurement of metal content by ICP-MS method>
As a pretreatment, the sample was weighed, sulfuric acid and nitric acid were added, and pressure acid decomposition was performed using a microwave decomposition apparatus. A constant volume of 25 mL of the decomposition solution was measured and analyzed by ICP-MS method.
Equipment Agilent 7500CX made by Agilent Technologies

<イオンクロマト法による塩素濃度分析>
前処理法 燃焼管燃焼法
前処理装置 三菱化学アナリテック社製AQF−2100H
IC測定装置 日本ダイオネクス社製ICS−2000
カラム IonPac AG18、AS18
溶離液 KOHグラジエント
流量 1.0mL/min
検出器 電気伝導度検出器
<Chlorine concentration analysis by ion chromatography>
Pretreatment method Combustion tube combustion method pretreatment device AQF-2100H manufactured by Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd.
IC measurement device ICS-2000 made by Nippon Dionex
Column IonPac AG18, AS18
Eluent KOH gradient flow rate 1.0mL / min
Detector Electrical conductivity detector

<膜電極接合体の製造>
本発明における電解質膜の発電性能を測定するために必要な膜電極接合体は、加熱圧接機(テスター産業株式会社製)を用いて次の手順で作製した。
最初に、SUS板、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)シート(100mm×100mm×0.3mm)、アノード側ガス拡散電極(22mm×22mm)、ガス拡散電極部分を切り抜いたPTFEシート(100mm×100mm×0.2mm)、高分子電解質膜(実施例および比較例)、触媒層部分を切り抜いたPTFEシート(100mm×100mm×0.2mm)、カソード側ガス拡散電極(22mm×22mm)、PTFEシート(100mm×100mm×0.3mm)およびSUS板の順に積層した。この積層物を150℃に加熱した加圧板に設置した後、50kgf/cm、5分間保持の条件で加熱圧接することによって作製した。
<PEFC発電特性評価>
前記膜電極接合体を用いて燃料電池単セルを組み立てた。最初に、アノード側エンドプレート、ガスフロープレート、PTFEガスケット(0.20mm)、膜電極接合体、PTFEガスケット(0.20mm)、ガスフロープレート、エンドプレートの順に積層した。次に、M3のボルトを用いて2Nmで締め付けることによって、燃料電池単セルを作製した。続いて、前記単セルを電子負荷装置(PLZ164WA、菊水電子工業社製)を搭載した評価装置に設置した後に、セル温度80℃にて、燃料(水素、84ml/min、100%RH)をアノード側に供給した。また、酸化剤(空気、400ml/min、100%RH)をカソード側に供給した。次に、電子負荷装置を定電流モードに設定し、前記膜電極接合体を含む燃料電池の電圧0.5Vで24時間保持し、PEFCのコンディショニングを行った。最後に、セル温度80℃にて、燃料(水素、83ml/min、53%RH)をアノード側に供給し、酸化剤(空気、272ml/min、53%RH)をカソード側に供給し、0.2A/cmでの発電特性を評価した。
<Manufacture of membrane electrode assembly>
The membrane / electrode assembly necessary for measuring the power generation performance of the electrolyte membrane in the present invention was produced by the following procedure using a heating and pressure welding machine (manufactured by Tester Sangyo Co., Ltd.).
First, a SUS plate, a polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet (100 mm × 100 mm × 0.3 mm), an anode side gas diffusion electrode (22 mm × 22 mm), and a PTFE sheet (100 mm × 100 mm × 0) cut out from the gas diffusion electrode portion. .2 mm), polymer electrolyte membrane (Examples and Comparative Examples), PTFE sheet (100 mm × 100 mm × 0.2 mm) cut out from the catalyst layer, cathode side gas diffusion electrode (22 mm × 22 mm), PTFE sheet (100 mm × 100 mm × 0.3 mm) and SUS plates were laminated in this order. After this laminate was placed on a pressure plate heated to 150 ° C., it was produced by heating and pressing under conditions of holding at 50 kgf / cm 2 for 5 minutes.
<PEFC power generation characteristics evaluation>
A single fuel cell was assembled using the membrane electrode assembly. First, an anode side end plate, a gas flow plate, a PTFE gasket (0.20 mm), a membrane electrode assembly, a PTFE gasket (0.20 mm), a gas flow plate, and an end plate were laminated in this order. Next, the fuel cell single cell was produced by tightening at 2 Nm using the M3 bolt. Subsequently, after the single cell was installed in an evaluation apparatus equipped with an electronic load device (PLZ164WA, manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd.), fuel (hydrogen, 84 ml / min, 100% RH) was anodeed at a cell temperature of 80 ° C. Supplied to the side. Further, an oxidizing agent (air, 400 ml / min, 100% RH) was supplied to the cathode side. Next, the electronic load device was set to a constant current mode, and the fuel cell including the membrane electrode assembly was held at a voltage of 0.5 V for 24 hours to condition the PEFC. Finally, at a cell temperature of 80 ° C., fuel (hydrogen, 83 ml / min, 53% RH) is supplied to the anode side, and oxidant (air, 272 ml / min, 53% RH) is supplied to the cathode side. The power generation characteristics at 2 A / cm 2 were evaluated.

(合成例1)
4,4’−ジクロロベンゾフェノン50.2gと30%発煙硫酸270gを混合し、130℃にて6時間反応させた。反応終了後、室温に戻し、NaCl水(500ml)に注いだ。析出した固体を濾取し、水(500ml)中に加えNaOHにて中和した。系中の固体を濾取した後、減圧乾燥することで目的物を81.1g(収率89%)にて白色固体として得た。
(Synthesis Example 1)
50.2 g of 4,4′-dichlorobenzophenone and 270 g of 30% fuming sulfuric acid were mixed and reacted at 130 ° C. for 6 hours. After completion of the reaction, the temperature was returned to room temperature and poured into NaCl water (500 ml). The precipitated solid was collected by filtration, added to water (500 ml), and neutralized with NaOH. The solid in the system was collected by filtration and then dried under reduced pressure to obtain 81.1 g (yield 89%) of the desired product as a white solid.

(合成例2)
リービッヒ冷却管とDean−Stark管、メカニカルスターラーを備え、窒素パージしている三口フラスコに、4,4’−ジクロロジフェニルスルホン(31.6g)と4,4’−ジヒドロキシベンゾフェノン(21.42g)、炭酸カリウム(20.78g)、DMAc(200ml)およびトルエン(50ml)を加えた。この溶液を140℃のオイルバス加熱条件下にて3時間攪拌した後、170℃に昇温し、さらに24時間攪拌した後、室温まで冷却した。反応液をメタノール中に滴下し、生じた白色沈殿を濾取した。水中に固体を入れ、水相を中和した後、60℃にて1時間攪拌した。濾過後、再度60℃の水で洗浄し、さらにメタノール60℃で洗浄した。濾取した固体を70℃にて真空乾燥することで目的物のオリゴマーを白色固体として得た。
(Synthesis Example 2)
A three-necked flask equipped with a Liebig condenser, Dean-Stark, mechanical stirrer and purged with nitrogen was charged with 4,4′-dichlorodiphenylsulfone (31.6 g) and 4,4′-dihydroxybenzophenone (21.42 g), Potassium carbonate (20.78 g), DMAc (200 ml) and toluene (50 ml) were added. This solution was stirred for 3 hours under an oil bath heating condition of 140 ° C., then heated to 170 ° C., further stirred for 24 hours, and then cooled to room temperature. The reaction solution was dropped into methanol, and the resulting white precipitate was collected by filtration. The solid was put into water and the aqueous phase was neutralized, followed by stirring at 60 ° C. for 1 hour. After filtration, it was washed again with water at 60 ° C., and further washed with methanol at 60 ° C. The solid obtained by filtration was vacuum-dried at 70 ° C. to obtain the target oligomer as a white solid.

(合成例3)
リービッヒ冷却管とDean−Stark管、メカニカルスターラーを備え、窒素パージしている三口フラスコに、合成例1で得たスルホン化モノマー12gと合成例2で得たオリゴマー8gと2,2’−ビピリジン11.56gとDMSO240mlとトルエン60mlを加えた。これを170℃のオイルバス加熱条件下にて還流させて系中の水分を除去後、トルエンも除き60℃まで冷却した。ここに、ビス(1,5−シクロオクタジエン)ニッケル20gを加えた後、80℃にて3時間反応させて重合溶液を得た。
(Synthesis Example 3)
A three-necked flask equipped with a Liebig condenser, a Dean-Stark pipe and a mechanical stirrer and purged with nitrogen was added to 12 g of the sulfonated monomer obtained in Synthesis Example 1, 8 g of the oligomer obtained in Synthesis Example 2, and 2,2′-bipyridine 11. .56 g, DMSO 240 ml and toluene 60 ml were added. This was refluxed under an oil bath heating condition of 170 ° C. to remove moisture in the system, and then toluene was removed to cool to 60 ° C. To this was added 20 g of bis (1,5-cyclooctadiene) nickel, and then reacted at 80 ° C. for 3 hours to obtain a polymerization solution.

(実施例1)
合成例3の反応終了後、重合溶液をメタノール1000mlに注ぎ固体を析出させた。室温下にて1時間攪拌した後、固体を濾取した。得られた固体を濃塩酸800mlで酸処理した後、洗液が中性になるまで固体を水洗し、105℃にて減圧乾燥することで目的の高分子電解質を15.1g得た。この高分子電解質の分子量はMn=122,000、Mw/Mn=2.77であった。
Example 1
After completion of the reaction of Synthesis Example 3, the polymerization solution was poured into 1000 ml of methanol to precipitate a solid. After stirring at room temperature for 1 hour, the solid was collected by filtration. The obtained solid was acid-treated with 800 ml of concentrated hydrochloric acid, then washed with water until the washing solution became neutral, and dried under reduced pressure at 105 ° C. to obtain 15.1 g of the target polymer electrolyte. The molecular weight of this polymer electrolyte was Mn = 12,000 and Mw / Mn = 2.77.

得られた電解質を細かく粉砕した後、第一の貧溶媒としてジクロロメタンを135ml用いて加熱還流条件下にて1時間撹拌後、固体を濾取した。次に第二の貧溶媒としてメタノールを100ml用いて室温下にて1時間撹拌した。洗浄後の高分子電解質を70℃の加熱条件下減圧乾燥することで、精製後の固体を得た。 After the obtained electrolyte was finely pulverized, 135 ml of dichloromethane was used as the first poor solvent, and the mixture was stirred for 1 hour under heating and refluxing conditions, and then the solid was collected by filtration. Next, 100 ml of methanol was used as the second poor solvent and stirred at room temperature for 1 hour. The polymer electrolyte after washing was dried under reduced pressure under heating at 70 ° C. to obtain a purified solid.

得られた高分子電解質0.7gをDMSO20mlに溶解した後、溶液をガラス基板上に流延塗布し、80℃にて15時間減圧乾燥した後、さらに100℃にて18時間減圧乾燥した。これを室温下6Nの塩酸で2時間の洗浄を3回繰り返した後、1時間の水洗を2回繰り返し、60℃の乾燥機で乾燥することで高分子電解質膜を得た。 After 0.7 g of the obtained polymer electrolyte was dissolved in 20 ml of DMSO, the solution was cast on a glass substrate, dried under reduced pressure at 80 ° C. for 15 hours, and further dried under reduced pressure at 100 ° C. for 18 hours. This was repeated with washing with 6N hydrochloric acid at room temperature for 3 hours for 3 hours, then with washing with water for 1 hour twice, and dried with a dryer at 60 ° C. to obtain a polymer electrolyte membrane.

(実施例2)
合成例3の反応終了後、重合溶液をイソプロピルアルコール1000mlに注ぎ固体を析出させた。室温下にて1時間攪拌した後、固体を濾取した。得られた固体を濃塩酸800mlで酸処理した後、洗液が中性になるまで固体を水洗し、105℃にて減圧乾燥することで目的の高分子電解質を15g得た。この高分子電解質の分子量はMn=109,000、Mw/Mn=2.32であった。
(Example 2)
After completion of the reaction in Synthesis Example 3, the polymerization solution was poured into 1000 ml of isopropyl alcohol to precipitate a solid. After stirring at room temperature for 1 hour, the solid was collected by filtration. The obtained solid was acid-treated with 800 ml of concentrated hydrochloric acid, then washed with water until the washing solution became neutral, and dried under reduced pressure at 105 ° C. to obtain 15 g of the target polymer electrolyte. The molecular weight of this polymer electrolyte was Mn = 109,000 and Mw / Mn = 2.32.

得られた電解質を細かく粉砕した後、第一の貧溶媒としてジクロロメタンを135ml用いて加熱還流条件下にて1時間撹拌後、固体を濾取した。次に第二の貧溶媒としてメタノールを100ml用いて室温下にて1時間撹拌した。洗浄後の高分子電解質を70℃の加熱条件下減圧乾燥することで、精製後の固体を得た。
得られた高分子電解質を実施例1と同様に高分子電解質膜とし、各種評価を実施した。
After the obtained electrolyte was finely pulverized, 135 ml of dichloromethane was used as the first poor solvent, and the mixture was stirred for 1 hour under heating and refluxing conditions, and then the solid was collected by filtration. Next, 100 ml of methanol was used as the second poor solvent and stirred at room temperature for 1 hour. The polymer electrolyte after washing was dried under reduced pressure under heating at 70 ° C. to obtain a purified solid.
The obtained polymer electrolyte was used as a polymer electrolyte membrane in the same manner as in Example 1, and various evaluations were performed.

(実施例3)
合成例3の反応終了後、重合溶液を濃塩酸600mlに注ぎ固体を析出させた。室温下にて攪拌した後、固体を濾過した。洗液が中性になるまで固体を水洗し、105℃にて減圧乾燥することで目的の高分子電解質を14.8g得た。この高分子電解質の分子量はMn=53,000、Mw/Mn=4.61であった。
(Example 3)
After completion of the reaction in Synthesis Example 3, the polymerization solution was poured into 600 ml of concentrated hydrochloric acid to precipitate a solid. After stirring at room temperature, the solid was filtered. The solid was washed with water until the washing solution became neutral and dried under reduced pressure at 105 ° C. to obtain 14.8 g of the target polymer electrolyte. The molecular weight of this polymer electrolyte was Mn = 53,000 and Mw / Mn = 4.61.

得られた電解質を細かく粉砕した後、第一の貧溶媒としてジクロロメタンを135ml用いて加熱還流条件下にて1時間撹拌後、固体を濾取した。次に第二の貧溶媒としてメタノールを100ml用いて室温下にて1時間撹拌した。洗浄後の高分子電解質を70℃の加熱条件下にて減圧乾燥することで、精製後の固体を得た。
得られた高分子電解質を実施例1と同様に高分子電解質膜とし、各種評価を実施した。
After the obtained electrolyte was finely pulverized, 135 ml of dichloromethane was used as the first poor solvent, and the mixture was stirred for 1 hour under heating and refluxing conditions, and then the solid was collected by filtration. Next, 100 ml of methanol was used as the second poor solvent and stirred at room temperature for 1 hour. The polymer electrolyte after washing was dried under reduced pressure under a heating condition of 70 ° C. to obtain a purified solid.
The obtained polymer electrolyte was used as a polymer electrolyte membrane in the same manner as in Example 1, and various evaluations were performed.

(比較例1)
合成例3の反応終了後、重合溶液を濃塩酸600mlに注ぎ固体を析出させた。室温下にて1時間攪拌した後、固体を濾過し水洗後、105℃にて減圧乾燥することで目的の高分子電解質を得た。この高分子電解質の分子量はMn=105,000、Mw/Mn=2.34であった。
得られた高分子電解質を実施例1と同様に高分子電解質膜とし、各種評価を実施した。
(Comparative Example 1)
After completion of the reaction in Synthesis Example 3, the polymerization solution was poured into 600 ml of concentrated hydrochloric acid to precipitate a solid. After stirring at room temperature for 1 hour, the solid was filtered, washed with water, and dried under reduced pressure at 105 ° C. to obtain the target polymer electrolyte. The molecular weight of this polymer electrolyte was Mn = 105,000 and Mw / Mn = 2.34.
The obtained polymer electrolyte was used as a polymer electrolyte membrane in the same manner as in Example 1, and various evaluations were performed.

(比較例2)
合成例3の反応終了後、重合溶液を6N硫酸1000mlに注ぎ固体を析出させた。室温下にて30分攪拌した後、固体を濾過し水洗後、105℃にて減圧乾燥することで目的の高分子電解質を得た。この高分子電解質の分子量はMn=113,000、Mw/Mn=2.17であった。
得られた高分子電解質を実施例1と同様に高分子電解質膜とし、各種評価を実施した。
(Comparative Example 2)
After completion of the reaction of Synthesis Example 3, the polymerization solution was poured into 1000 ml of 6N sulfuric acid to precipitate a solid. After stirring at room temperature for 30 minutes, the solid was filtered, washed with water, and dried under reduced pressure at 105 ° C. to obtain the target polymer electrolyte. The molecular weight of this polymer electrolyte was Mn = 113,000 and Mw / Mn = 2.17.
The obtained polymer electrolyte was used as a polymer electrolyte membrane in the same manner as in Example 1, and various evaluations were performed.

(比較例3)
実施例1のジクロロメタン洗浄後の高分子電解質を一部抜き取り70℃の加熱条件下減圧乾燥することで、固体を得た。
得られた高分子電解質を実施例1と同様に高分子電解質膜とし、各種評価を実施した。
(Comparative Example 3)
A part of the polymer electrolyte after washing with dichloromethane in Example 1 was extracted and dried under reduced pressure under heating at 70 ° C. to obtain a solid.
The obtained polymer electrolyte was used as a polymer electrolyte membrane in the same manner as in Example 1, and various evaluations were performed.

実施例と比較例から得た高分子電解質膜中に残存する不純物量を定量した結果を表1に、発電試験による900時間後の電圧の維持率を図1に示す。
なお、本文中の分子量1万以下の成分含有率とは、上記のGPC分析条件で測定して得られた分子量分布曲線から1万以下の分子の存在比を見積もった値である。また、電圧維持率とは、発電特性評価試験開始直後の0.2A/cmにおける電圧(初期電圧)で、同条件の試験を900時間継続した際の電圧を除した値を百分率で示した値である。
The results of quantifying the amount of impurities remaining in the polymer electrolyte membranes obtained from the examples and comparative examples are shown in Table 1, and the voltage maintenance rate after 900 hours in the power generation test is shown in FIG.
The component content with a molecular weight of 10,000 or less in the text is a value obtained by estimating the abundance ratio of molecules having a molecular weight of 10,000 or less from a molecular weight distribution curve obtained by measurement under the above GPC analysis conditions. The voltage maintenance rate is a voltage (initial voltage) at 0.2 A / cm 2 immediately after the start of the power generation characteristic evaluation test, and the value obtained by dividing the voltage when the test under the same condition is continued for 900 hours is expressed as a percentage. Value.

Figure 0006202422
Figure 0006202422

以上の結果、燃料電池の触媒や電極の劣化因子となる分子量1万以下の不純物を除去した膜が、電圧劣化を抑制可能であることが示された。 As a result, it has been shown that a film from which impurities having a molecular weight of 10,000 or less, which are deterioration factors of fuel cell catalysts and electrodes, are removed can suppress voltage deterioration.

Claims (5)

スルホン酸基を有する親水性セグメントとスルホン酸基を有さない疎水性セグメントからなるブロック共重合体であり、数平均分子量1万以下のオリゴマーを含む固体の高分子電解質を、少なくとも2種の高分子電解質の貧溶媒を用いて洗浄する工程を含む、高分子電解質の製造方法であって、
前記貧溶媒として、アルコール系溶媒および非プロトン性溶媒を使用し、
前記高分子電解質が、少なくとも下記式(1)
Figure 0006202422
(式中、Arはベンゼン環、ナフタレン環、またはそれらの環を形成する炭素がヘテロ原子へと置換されたものを示し、Xは水素または陽イオンを示す。aおよびbは、それぞれ0〜4の整数である。また、a+bは1以上である。mは1以上の整数を示し、nは0以上の整数を示す。)
で示される構造を有する、高分子電解質の製造方法。
A block copolymer comprising a hydrophilic segment having a sulfonic acid group and a hydrophobic segment having no sulfonic acid group, and comprising a solid polymer electrolyte containing an oligomer having a number average molecular weight of 10,000 or less, at least two kinds of high polymer electrolytes A method for producing a polymer electrolyte, comprising a step of washing using a poor solvent for a molecular electrolyte,
As the poor solvent, an alcohol solvent and an aprotic solvent are used ,
The polymer electrolyte is at least the following formula (1)
Figure 0006202422
(In the formula, Ar represents a benzene ring, a naphthalene ring, or a carbon in which those rings are substituted with a hetero atom, X represents hydrogen or a cation. In addition, a + b is 1 or more, m is an integer of 1 or more, and n is an integer of 0 or more.)
The manufacturing method of the polymer electrolyte which has a structure shown by these .
スルホン酸基を有する親水性セグメントとスルホン酸基を有さない疎水性セグメントからなるブロック共重合体であり、数平均分子量1万以下のオリゴマーを含む固体の高分子電解質を、少なくとも2種の高分子電解質の貧溶媒を用いて洗浄する工程を含む、高分子電解質の製造方法であって、
前記貧溶媒として、アルコール系溶媒および非プロトン性溶媒を使用し、
前記高分子電解質が、下記式(2)
Figure 0006202422
(式中、Arはベンゼン環、ナフタレン環、またはそれらの環を形成する炭素がヘテロ原子へと置換されたものを示す。mは1以上の整数を示し、nは0以上の整数を示す。YはSO、C(CH、またはC(CFであり、Zは直接結合、酸素、または硫黄を示す。)および/または下記式(3)
Figure 0006202422
(式中、Ar、m、nは前記式(2)と同様である。YはCO、SO、C(CH、またはC(CFであり、Yとは異なる。Zは直接結合、酸素、または硫黄を示す。)
で示される構造を有し、式(2)で示される構造成分Aモルに対し、式(3)で示される構造成分Bモルが、B/(A+B)が0〜0.95を満たす、高分子電解質の製造方法。
A block copolymer comprising a hydrophilic segment having a sulfonic acid group and a hydrophobic segment having no sulfonic acid group, and comprising a solid polymer electrolyte containing an oligomer having a number average molecular weight of 10,000 or less, at least two kinds of high polymer electrolytes A method for producing a polymer electrolyte, comprising a step of washing using a poor solvent for a molecular electrolyte,
As the poor solvent, an alcohol solvent and an aprotic solvent are used,
The polymer electrolyte is represented by the following formula (2)
Figure 0006202422
(In the formula, Ar represents a benzene ring, a naphthalene ring, or a carbon in which those rings are substituted with a hetero atom. M represents an integer of 1 or more, and n represents an integer of 0 or more. Y 1 is SO 2 , C (CH 3 ) 2 , or C (CF 3 ) 2 , Z represents a direct bond, oxygen, or sulfur.) And / or the following formula (3)
Figure 0006202422
(In the formula, Ar, m, and n are the same as those in the formula (2). Y 2 is CO, SO 2 , C (CH 3 ) 2 , or C (CF 3 ) 2 , and is different from Y 1. Z represents a direct bond, oxygen or sulfur.)
Has a structure shown in, to structural components A mole of the formula (2), structural component B molar of the formula (3) is, B / (A + B) satisfies 0 to 0.95, high A method for producing a molecular electrolyte.
スルホン酸基を有する親水性セグメントとスルホン酸基を有さない疎水性セグメントからなるブロック共重合体であり、数平均分子量1万以下のオリゴマーを含む固体の高分子電解質を、少なくとも2種の高分子電解質の貧溶媒を用いて洗浄する工程を含む、高分子電解質の製造方法であって、
前記貧溶媒として、アルコール系溶媒および非プロトン性溶媒を使用し、
前記高分子電解質が、下記式(7)
Figure 0006202422
(式中、Arはベンゼン環、ナフタレン環、またはそれらの環を形成する炭素がヘテロ原子へと置換されたものを示し、Xは水素または陽イオンを示す。aおよびbは、それぞれ0〜4の整数である。また、a+bは1以上である。mは1以上の整数を示し、nは0以上の整数を示す。Zは直接結合、酸素、または硫黄を示す。Wは直接結合、CO、SO、C(CH、またはC(CFである。)
で示される構造を主鎖に含む、高分子電解質の製造方法。
A block copolymer comprising a hydrophilic segment having a sulfonic acid group and a hydrophobic segment having no sulfonic acid group, and comprising a solid polymer electrolyte containing an oligomer having a number average molecular weight of 10,000 or less, at least two kinds of high polymer electrolytes A method for producing a polymer electrolyte, comprising a step of washing using a poor solvent for a molecular electrolyte,
As the poor solvent, an alcohol solvent and an aprotic solvent are used,
The polymer electrolyte has the following formula (7)
Figure 0006202422
(In the formula, Ar represents a benzene ring, a naphthalene ring, or a carbon in which those rings are substituted with a hetero atom, X represents hydrogen or a cation. A + b is 1 or more, m is an integer of 1 or more, n is an integer of 0 or more, Z is a direct bond, oxygen or sulfur, W is a direct bond, CO , SO 2 , C (CH 3 ) 2 , or C (CF 3 ) 2. )
In comprising the structure shown in the main chain, the method of producing a high molecular electrolyte.
前記非プロトン性溶媒がハロゲン系溶媒である、請求項1〜3のいずれかに記載の高分子電解質の製造方法。 The method for producing a polymer electrolyte according to any one of claims 1 to 3 , wherein the aprotic solvent is a halogen-based solvent. 前記数平均分子量1万以下のオリゴマーが、ハロゲン元素により置換された炭化水素化合物および/または不飽和結合を含む炭化水素化合物である、請求項1〜4のいずれかに記載の高分子電解質の製造方法。 The polymer electrolyte production according to any one of claims 1 to 4, wherein the oligomer having a number average molecular weight of 10,000 or less is a hydrocarbon compound substituted with a halogen element and / or a hydrocarbon compound containing an unsaturated bond. Method.
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